Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Behavior

Беспроводной, двунаправленный интерфейс для записи в естественных условиях и стимуляции нейронной активности в свободно себя крысы

doi: 10.3791/56299 Published: November 7, 2017

Summary

Вводится беспроводной, двунаправленная система для многоканальной записи и нейронных и стимуляции в свободно себя крыс. Система является легкий и компактный, таким образом оказывает минимальное влияние на поведенческие репертуар animal´s. Кроме того это двунаправленная система обеспечивает сложный инструмент для оценки причинно-следственных связей между моделями активации мозга и поведение.

Abstract

В vivo электрофизиологии – это мощный метод для изучения взаимосвязи между мозговой деятельности и поведения в миллисекунду и микрометр масштабе. Однако текущие методы главным образом полагаться на привязи кабель записей или использовать только однонаправленный системы, позволяя запись или стимуляции нейронной активности, но не в то же время или же цель. Здесь описан новый беспроводной, двунаправленный устройство для одновременной многоканальной записи и стимуляции нейронной активности в свободно себя крыс. Система работает через одноступенчатый портативный головы, которая передает записанные деятельность и могут быть направлены в режиме реального времени для стимуляции мозга с помощью многоканального программного обеспечения на основе телеметрии. Главный этап оборудован предусилитель и аккумуляторная батарея, позволяя стабильной долгосрочной записи или стимуляции для до 1 ч. Главное, главный этап компактный, весит 12 g (включая батарея) и таким образом оказывает минимальное влияние на animal´s поведенческие репертуар, делая метод применимых к широкий набор поведенческих задач. Кроме того этот метод имеет главное преимущество, что эффект стимуляции мозга на нейронной активности и поведение могут быть измерены одновременно, обеспечивая инструмент для оценки причинно-следственных связей между конкретными мозга активации структуры и поведения. Эта особенность делает метод особенно ценными для поля глубокая стимуляция мозга, позволяя точной оценки, мониторинга и корректировки параметров стимуляции во время долгосрочного поведенческих экспериментов. Применимость системы были проверены с использованием нижнего colliculus как модель структуры.

Introduction

Фундаментальный вопрос в неврологии, как электрической активности в определенных нейронных цепей создает определенные формы поведения. В vivo электрофизиологии – это мощный метод для решения этого вопроса, обеспечивая инструмент для записи или стимулировать электрической активности в головном мозге, в то время как животные выполняют определенные поведенческие задачи. Однако нынешние системы часто полагаются на привязанный кабель записи1,2, скорее всего ограничивает мобильность и предотвращения полное выражение поведенческого репертуара animal´s. Кроме того используются главным образом однонаправленный системы, позволяя либо записи3,,45 или стимуляции6,7 нейронной активности, но не в то же время или же цель, что делает его трудно отделить причинно-следственной связи между конкретными мозга активации структуры и поведения. В настоящее время доступны только несколько беспроводных, двунаправленный систем для подготовки в естественных условиях . Однако, они обычно тяжелые (40-50 г) и состоят из двух отдельных портативных устройств, т.е. главный этап и подключенных рюкзак для энергии на основе батареи питания8,9,10, делая их менее гибкие и увеличивая риск отключения кабеля например во время самостоятельного ухода поведение. Ни один из вышеупомянутых беспроводных систем предлагают имплантируемых микроэлектродные единиц для приобретения полной комплексной концепции нейронной активности во время полной этологических допустимое поведение с высокой воспроизводимостью экспериментальных условий.

Здесь вводится новый беспроводной, двунаправленные устройства для записи в естественных условиях и стимуляции нейронной активности в свободно себя крыс. Томас беспроводные системы (TWS) работает через съемные головы одноступенчатые, могут передавать многоканальный активности с использованием до четырех независимых записи каналов и может быть направлена для стимуляции электрическими мозга в реальном времени. Кроме того хронически имплантируемых микроэлектродные блок совместим с TWS был разработан, позволяющий нейронной стимуляции и записи. TWS программного обеспечения графический интерфейс пользователя, для записи и стимуляции также представил. Это исследование описывает реализацию проверки и в естественных условиях всего устройства.

С целью проверки системы TWS уступает colliculus был выбран в качестве целевого невральной структуры потому что открытой поведенческие реакции может вызвали его электрическая стимуляция. Широко известно, что электрическая стимуляция уступает colliculus вызывает безусловный «страх как» поведенческих реакций в организме крыс, как настороженность, боком позы, выгибая спину, замораживания и побег (полет) поведение. Этот шаблон ответа имитирует реакции страха вызвала, экологические проблемы, например воспринимается вредных событие, нападение или угрозу для выживания11,12,13. Предполагалось, что в состоянии добиться такого ясного и недвусмысленного поведение обеспечит реальный вызов для TWS.

Protocol

все протоколы и экспериментов были в соответствии с нынешней Европы (2010/63/ЕС) и утверждены региональными властями (Regierungspräsidium Gießen, Мистер 20/35 Nr.25/2015).

1. Животные

  1. дом мужчины взрослых крыс Wistar (200-250 g) в группах по 3-4 стандартных лабораторных условиях для по крайней мере за одну неделю до операции, чтобы позволить акклиматизации.
  2. Через два дня после операции, дом крысы в парах. Обложка одной клетки с высоким акриловые крышками. Избежать обычных крышки изготовлены из металлической сетки, поскольку имплантаты могут застрять, увеличивая риск, что они становятся поврежден и/или нестабильным над время.

2. Стереотаксической хирургии

  1. перед началом операции, организовать и подготовить следующие оборудование и материалы:
    1. получить стерильные хирургические оборудование, состоящее из стерильные ножницы, пинцет туп конца, шпатели, хирургические ножницы, стоматологическая дрель и бутоны хлопка.
    2. получения препаратов и химических веществ, включая изофлюрановая, xylocaine, трамадола гидрохлорид, декспантенол глаз Бальзам, 3% перекиси водорода, повидон йод и 70% этанол.
    3. Получить фиксацию материала, включая винты из нержавеющей стали, акриловые смолы, ультрафиолетовый клей и крышка протектор.
    4. Получить микроэлектродные группы, состоящей из (i) запись одного электрода (кварцевого стекла изолированные Платиновый Вольфрам микроэлектродные, с конической оконечности форму, наружный диаметр: 80 мкм, конический наконечник, сопротивление на 1 кГц: 500 ком) или тетрод (кварцевого стекла изолированные платины/Вольфрам 4 ядер микроэлектродные, внешний диаметр: 100 мкм, конический наконечник, сопротивление на 1 кГц: 500-800 ком); (ii электрод стимуляции (провод платины/Иридиум (90% платины, 10% иридия), основной диаметр 125 мкм, скорость, внешний диаметр 150 мкм, сопротивление < 10 ком) подключен к контактные пластины и (iii) электрод сравнения провода платины (диаметр вала, 100 мкм; Рисунок 1A).
    5. Получить Электрододержатель склеены с Водорастворимый клей к группе микроэлектродные и испытания на функциональность по крайней мере 2 h заранее ( рис. 1B).
    6. Получить обычные привязной системы, состоящей из дифференциального усилителя, основной усилитель и полосовой фильтр усилитель для записей.
    7. Получения дополнительных материалов, таких как перчатки, Отопление pad, шприцы и физиологического раствора.
    8. Получить дома клетки (L x W x H: 42 см x 26 x 38 см).
  2. Процедура
    Примечание: Имплантация электродов производится во время обычных стереотаксической хирургии под изофлюрановая наркозом.
    1. Убедитесь, что экспериментатор носить перчатки, хирургические маски и халате.
    2. Начать размещение животного в камеру индукции анестезии (изофлюрановая 4-5%, поток кислорода 1 Л/мин, продолжительность ~ 5 мин).
    3. Тест для потери рефлексов (хвост и мыс рефлексы) с щипцами для подтверждения глубокий наркоз.
    4. Голова животного в маску анестезии, фиксированной вокруг панели верхних резца стереотаксической рамы и отрегулировать анестезии (изофлюрановая 2-3%, кислорода поток 0,7-0,8 Л/мин).
    5. Исправить и горизонтального выравнивания животное ' s голову в стереотаксической аппарат, с помощью уха баров и верхних резца бара
    6. Бритья операционного поля, используя хирургические ножницы или ножниц и стерилизовать с повидон йод.
    7. Место животное на грелку для профилактики гипотермии и лечения глаз с декспантенол глаз Бальзам для предотвращения их от пересыхания.
    8. Придать xylocaine (0,3-0,4 мл, подкожно, s.c.) в центре хирургического поля.
    9. Тест для потери снова рефлексов.
    10. Сделать небольшой надрез (1,5 см) с помощью скальпеля в середине хирургического поля подвергать черепа. Аккуратно отделить кожи и удаления остаточной ткани, используя щипцы, ножницы и шпатель.
    11. Тщательно очистить с помощью перекиси водорода покрытием ватные палочки черепа.
    12. Отверстия 4-5 небольших (4,7 мм) в черепе для фиксации винтов из нержавеющей стали.
    13. Микроэлектродные блок/Электрододержатель соединиться предусилитель и прикрепить к стереотаксической микроманипулятор ( рис. 1B и 1 C).
    14. Просверлить отверстие (около 7 мм) в череп выше целевой области, с помощью координат от мозга Атлас согласно животное используется. В настоящем исследовании, положение электрода советы, направленных на нижней colliculus, используя следующие координаты, с bregma, выступающей в качестве ссылка: передняя/задняя, − 8,8 мм; Медиальная/боковое, 1,5 мм; и спинной/вентральный, 3,5 мм 14.
    15. Поглощать любые крови с ватные палочки.
    16. Вертикально ввести блок микроэлектродные советы электрода до целевой области.
    17. Позиция кабель заземления вдоль винты из нержавеющей стали и под кожу.
    18. Монитор всплеск активности и тщательно Отрегулируйте положение электрода с микроманипулятор до достижения зоны активных нейронов в целевой структуре и обнаруживать нейронной активности с соотношением сигнал шум, подходит для сортировки Спайк.
    19. Исправить микроэлектродные блок к черепу УФ клеем и контактные пластины и винты с акриловой смолы.
    20. Придать физиологического раствора (1 мл и.п.) и трамадола (25 мг/кг, s.c.) для предотвращения обезвоживания и соответственно обеспечить послеоперационное обезболивание,.
    21. Отключение блока микроэлектродные от держателя электрода с помощью щетки, смоченной в воде.
    22. Остановка анестезии, тщательно удалить крысы из стереотаксической рамы. Отсоедините усилитель от микроэлектродные исполнимых
    23. Кап защиты на микроэлектродные единицу имплантированных и отсоединяют только во время экспериментальной процедуры.
    24. Держать животных в парах в дома клетке на второй день после операции.
    25. Монитор животных ежедневно для возможного раневой инфекции, вес тела, состояния здоровья и общего поведения в течение 7 дней после операции. После этого периода восстановления, выполняют в vivo электрофизиологии и поведенческих экспериментов.
      Примечание: Хирургическая процедура длится от 60-90 мин. Во время операции, хвост Флик рефлексы должны постоянно контролируется и анестезии, при необходимости корректируются.

3. В естественных условиях Электрофизиологии

  1. оборудование и процедура
    Примечание: электрофизиологических записей и стимуляции выполняются с использованием TWS.
    1. Получить голову сцену с интегрированной предусилитель и подключенного аккумулятора (четыре записи каналов; аналоговые записи входной диапазон: 0-12 мВ pk-pk; стимуляции вывода: ±625 МКА; L x W x H: 24 x 22 x 12 мм; Вес: 6 г без батареи, 12 г с батареей; аккумулятор работает время до 1 ч). Это главный этап подходит быть подключены непосредственно к блоку имплантированных микроэлектродные через миниатюрные Многоконтактный разъем ( рис. 2).
    2. Получить батарея (литий ионный аккумулятор, 3,7-4,2 V DC, 230 мА, 27 мм x 20 мм x 6 мм, 1 ч время работы) монтируется поверх головы стадии ( рис. 2 c). При необходимости использовать замены аккумулятора емкостью 450 мА для примерно 2,5 ч время работы. Убедитесь, что зеленый свет приходит на головы стадии, пока аккумулятор подключен к ней
    3. Получить приемопередатчик (приемопередатчик) подключены к персональному компьютеру через стандартный порт USB и позволяет беспроводное операции для до 5 м ( Рисунок 2E).
    4. Получить персональный компьютер с программным обеспечением TWS для записи нейронной активности и электрической стимуляции ( рис. 3 и Рисунок 4 < / сильные>).
    5. Получить привязал предусилитель и система сбора данных, используемые во время операции (см. пункт 2.1.5) для записи и генератор стимул для стимуляции, чтобы сравнить efficaciousness TWS в бодрствовать крыс через одну неделю после операции.
      Примечание: Электрическая стимуляция предоставляется и внеклеточной активности от одного нейронов записывается из той же имплантированных микроэлектродные единицы с использованием обеих систем. Параметров стимуляции (интенсивность тока, пульса и частоты) должна быть скорректирована для каждого животного согласно мозга регионе целевых. В настоящем исследовании, 150-250 мкА, 2500 Гц тока используется для стимулирования уступают colliculus.
  2. Assays поведенческая
    Примечание: после металла барьер не вводится между трансивером и животных главный этап, TWS применима к широкий набор поведенческих задач. Как образцовое поведенческие тесты он был использован в открытом поле для измерения общей поведенческой активности и на повышенные плюс лабиринт, Стандартный тест для оценки тревоги подобное поведение у грызунов 15. Видео камеры помещенного в центре над открытом поле и повышенные плюс лабиринт для поведенческой записей.
    1. До поведенческое тестирование, обрабатывать каждое животное на три дня подряд (5 мин каждый день). Перед каждой обработки периода Подключите главный этап с батареей микроэлектродные группе ранее имплантирован. Не выполнять каких-либо запись или стимуляции во время обработки.
    2. Открытое поле
      1. место крыса в центре открытого поля (40 cm х 40 cm х 40 cm; красный свет ~ 30 Lux) и позволить ему исследовать аппарат для по крайней мере 5 минут под нейронных записи.
      2. Определить порог побег - минимальная интенсивность тока производства бег или прыжки. В настоящем исследовании, доставить высокой частоты стимуляции 2500 Гц (импульса: 100 МКС; интервал пульса: 100 МКС) до нижнего colliculus с интервалом 1 мин, увеличивая интенсивность тока на 20-50 мкА шаги до тех пор, пока у крыс отмечались побег поведение.
      3. Вернуть его домой клетке крыса, очистить поле Открыть (0,1% раствора уксусной кислоты) и сухой it.
        Примечание: Для того, чтобы сравнить эффективность стимуляции TWS с системой традиционных привязанный, описанная выше процедура была выполнена с использованием обеих систем.
    3. Повышенные плюс лабиринт
      Примечание: состоял из двух открытых оружия и из серый акрил плюс лабиринт, используемые в этих экспериментах (50 см х 10 см) и 2 закрытые оружия (50 см х 10 см шириной, с высокими стенами 40 см), простиралась от центральной пла tform повышенный уровень 50 см выше пола 16.
      1. Место крыса в центр плюс лабиринт облицовки к открытой руки и позволить ей свободно исследовать аппарат под продолжение записи в течение 5 мин.
      2. Записать количество записей в, и время, проведенное в открытых и закрытых оружия в течение 5 мин.
      3. Возвращение крысы его домой клетку, чистый (0,1% раствора уксусной кислоты) и сухой лабиринт перед каждой test.
    4. Перфузии и гистологии
      1. анестезировать Крыса с Ксилазина/кетамин (150 мг/кг и 100 мг/кг, соответственно; и.п.).
      2. Устройство имплантированных электродов стимуляции кабеля и применение электростимуляции (текущей интенсивности 50 мкА, ширина импульса: 100 МКС; интервал пульса: 100 МКС) в течение 90 s для того чтобы произвести небольшой поражения вокруг электрода.
      3. Отсоедините кабель стимуляции и perfuse животных через левого желудочка с следуют параформальдегида 4% в буфере фосфат натрия 0,1 М, рН 7.3 200 мл физиологического раствора (подробное описание см. в Справочник 17 ).
      4. Удаление мозга и погружать его за 4 ч в свежих фиксатором на 4 ° C.
      5. Убедитесь, что температура камеры криостата главной при -20 ° с.
      6. Заморозить мозг на сухой лед и порежьте их на 50 мкм серийный корональных секций с помощью криостата.
      7. Пятно секции с cresylviolet для того, чтобы найти позиции электрода советы, по словам атлас по Paxinos и Уотсон 14.

Representative Results

Технические данные TWS

Беспроводная система предлагает 4 независимых записи каналов и канал 1 стимуляции. Внеклеточного деятельность была подхвачена электрода одноядерный записи и передается входной сигнал высокий импеданс беспроводной системы. Записанный сигнал был предварительно усиленный (x200) AC-сочетании, дифференциального входного предусилителя и полосовой фильтрации (фиксированная полоса пропускания, 500 Гц... 5 кГц) для записи только многоквартирных деятельности, потому что в настоящем исследовании основной интерес для записи деятельности и не местных потенциалов поля. Главная усилитель интегрированный программируемый усиления предлагает программное обеспечение регулируемый выгоды для четырех каналов записи (x1, x2, x4, x8, x16, x32, x64). Полный сигнал цепи беспроводной системы предложил общий прирост значения x200, x400, x800, x1600, x 3200, x6400 и x12800. После усиления и фильтрации аналоговый сигнал был оцифрованы, аналого-цифровой преобразователь, модулированные на высокой частоты несущей и передано радиопередатчик, используя 2,4-2,5 ГГц ISM полоса. Один и тот же тип трансивер был использован на другой стороне пути передачи. Этот второй трансивер был подключен к персональному компьютеру через USB-порт. Пути передачи был использован для передачи данных bi направленного для отправки записанных внеклеточных сигналов от животного на компьютер и наоборот параметры управления для усиления сигнала и стимуляции от компьютера к животным.

С помощью TWS, можно было успешно записать активность мозга многоквартирных и изменить поведение животных, стимулируя уступает colliculus, в то время как крыса свободно перемещаться в открытом поле. Трансивер был сделан до 5 м от животного и был подключен к компьютеру через USB порт (см. Рисунок 2). Сравнение качества записываемого сигнала принесли с привязи и беспроводная система показана на рисунке 5. TWS записей многоквартирных деятельности с аналогичными качество сигнала как проводной запись системы. Микро стимулятор-что верно беспроводной стимулятором для обновления параметров стимуляции в режиме реального времени, т.е. сигнал стимуляции, чьи параметры определяются с помощью программного обеспечения TWS передается электрод стимуляции, подключенных к стадии головы в некоторых миллисекунд после нажатия на кнопку стимуляции. Таким образом это было можно изменить параметры стимуляции не принимая животное из клетки. Эта функция имеет то преимущество, что один можно свести к минимуму время для стимуляции экспериментов.

TWS программного обеспечения был специально разработан для управления все функции беспроводной системы (например, запись и стимуляции) через один графический пользовательский интерфейс (рис. 3 и рис. 4). Для стимуляции сигнал микро стимуляции, который был разработан с использованием графического интерфейса пользователя TWS программного обеспечения. Стимулятор TWS был использован в режиме сбалансированное стимуляцию постоянного тока заряда. Стимуляция шаблон был направлен беспроволочно стимулятор постоянного тока, интегрированных в беспроводной блок головы стадии. Стимуляция текущего был применен между рабочей микроэлектродные, помещены в целевом интерес (как for instance уступает colliculus в настоящем исследовании) и больше далеких счетчика электрод, который служил земли или ссылка электрод TWS. В зависимости от импеданса электрод стимуляции и соответствие напряжения постоянного тока стимулятора можно использовать текущий диапазон максимальной стимуляции ±625 МКА, хотя в настоящее время экспериментов требуется гораздо ниже порог тока. Здесь, двухфазный заряд сбалансированных постоянного тока стимуляции был использован с пике токи до 300 МКА. В случае двухфазный стимуляции первого импульса используется для получения физиологический эффект и второй пульс обычно меняет электрохимических процессов, происходящих во время импульса стимуляции18. TWS главный этап предоставляет шаблоны стимуляции режиме реального времени через графический пользовательский интерфейс программного обеспечения TWS (см. Рисунок 4).

TWS программное обеспечение делится на три основных раздела: (i) главное окно с элементами управления для записи и стимуляции, (ii) стимул генератор окна со всех параметров для параметров сигнала стимуляции и (iii) воспроизведение окно для воспроизведения данные, записанные файлы. Главное окно позволяет пользователю для отображения зарегистрированных сигналов до 4 каналов записи, установить выгоды для всех каналов и начать/остановить запись отображается сигналов. Сигнал данных хранятся в файле на жестком диске компьютера. В меню конфигурации задан путь к файлу. Кроме того, параметры записи главное окно позволяет для запуска и остановки процесса стимуляции. Постоянной стимуляции текущего, которое передается через электрод стимуляции в мозге животных отображается в режиме реального времени на экране главного окна. Параметры сигнала стимуляции являются предварительно скорректированная в окне настройки параметров стимула. Это позволяет определить моно - или двухфазные поезда импульса стимуляции и установить все часто используемые стимуляции параметров импульса как например импульса, амплитуда импульса, время между импульсами и т.д. (подробнее см. Рисунок 4). Функция импульса стимуляции, результаты от значения предварительно выбранных параметров отображается в графическое отображение в окне генератора стимуляции.

TWS программного обеспечения был разработан согласно удобство аспекты. Удобство использования программного обеспечения является важным фактором для обеспечения плавности хода эксперимента беспроводной стимуляции/записи и безопасной и комфортной рабочей среды. Это также помогает улучшить воспроизводимость результатов эксперимента.

Единичного запись данных и электростимуляции

Внеклеточные многоквартирных деятельности последовательно был записан в нижней colliculus от же имплантированных электродов, используя TWS и обычных привязанный запись системы. Рисунок 5 показывает представитель необработанные данные, записанные с помощью обеих систем, в то время как животное было свободно движущихся в открытом поле. Прямое сравнение сигналов предлагает аналогичные всплеска волновых форм и уровней шума (Рисунок 5А и 5B). Демонстрация Спайк формы изображен в A «и B».

Так как крысы не пытались удалить TWS главный этап, после операции и в течение последующих дней, предполагалось, что он не существенно мешать их движений и не вызывают дискомфорта. Таким образом используя TWS, широко распространенной проблемой в привязанный записи крыс было избегать как удаление и жевательные разъемов и кабелей. Действительно, крыс с головы стадии TWS смогли исследовать открытом поле и плюс лабиринт (see фильм 1) выставке нормальной переходы, воспитание и уход поведение.

Кроме того параметры стимуляции, используемые с TWS или обычных привязной системы вызывали же поведенческие итоги, здесь побег поведение. Начиная с 100 мкА, амплитуда тока стимуляции было увеличено шаг за шагом до тех пор, пока побег - минимальная интенсивность тока производства бег или прыжки - порогового и вызвал побега поведение. Пороговые значения отдельных побег 4 крыс были похожи, при использовании обеих систем (рис. 5 c).

Figure 1
Рисунок 1: Микроэлектродные TWS исполнимых (1) записи одного электрода/тетрод, электрод стимуляции (2), Совет подключения волокна (3) электрод, (4) Гибкие соединительные кабели, (5) заземляющий провод, Совет (6) разъем, (7) мужчина или женщина разъем для системы TWS (A); TWS микроэлектродные ИБП подключен к предусилитель (8) и держатель (9); (B) готовы придавать Стереотаксическая рама (C). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2 : Вид сверху головы этапа TWS установлен модуль (A) без питания аккумулятора. Всего габаритные размеры: высота 12,5 м, глубина 24 мм (19.3 мм + 4,7 мм), ширина 22.1 мм, вес: 5.96 g. вид снизу (B) показаны разъем блока электрод; аккумулятор питания, высота 9 мм, Глубина 26 мм, ширина 20 мм, вес 6 г (C); Обзор компонентов TWS, используемых для этого теста: (1) Глава этап блок с аккумулятором, установленный на animal´s череп, (2) трансивер подразделение, подключенные к компьютеру USB-порт, программное обеспечение (3) TWS (D); Фото крыса свободно двигаться и показаны стадии головы TWS подключен к микроэлектродные единицы ранее имплантирован (E) и программного обеспечения TWS, показаны образцовую записанных сигналов (F). TWS главный этап предоставляет шаблоны стимуляции режиме реального времени через графический интерфейс пользователя программного обеспечения TWS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3: TWS программного обеспечения графического интерфейса пользователя, запись экрана. Производительность записи TWS один биполярного записи электродом, имплантированных в нижней colliculus, изображен на экране. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4: TWS программного обеспечения графического интерфейса пользователя. стимуляция экран (A) и спецификации параметров стимуляции (B). Стимуляция параметров сигнала (C) как ширина импульса (PxW), амплитуда импульса (PxA), Интер задержка импульса (IPD), время между импульсами (TBP), пульс на поезд (PPT) и время между поездами (ТБТ) регулируемые через TWS программного обеспечения графического интерфейса пользователя. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 5
Рисунок 5 : Качественное сравнение между многоквартирных сигнал записан внеклеточно TWS (A) и проводной записи установки (B). Обе записи были получены из той же TWS микроэлектродные единицы (импеданс 0.5MOhm) в нижней colliculus. Осевое расстояние между двумя контактами записи электрод был приблизительно 400 мкм. Пропускная способность записи проводной системы и TWS были идентичными (500 Гц... 5 кГц), сигналы были взяты пробы с 40 (проводной системы) и 32 кГц (TWS). Обе системы записал многоквартирных деятельности с аналогичными качество сигнала. Существует нет четкое различие в стрельбы между TWS и проводной записей. Потенциал действия сигнала нейрона с обеих записей отображаются в A «и B». Аналогичные параметры стимуляции необходимы для 4 крыс достичь порога побег, используя привязной системы (TS) или TWS (C). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Movie
Фильм 1: Образцовое крыса, экспонируется нормальной произвольное поведение во время плюс test. лабиринт TWS позволяет животное, чтобы ввести открытые и закрытые оружия без проводов получать запутанную вверх в тестирование аппарат, пока он мал и света достаточно, так что это только минимально вмешивается в самой задачи. Пожалуйста нажмите здесь, чтобы посмотреть это видео. (Правой кнопкой мыши для загрузки.)

Discussion

Здесь была представлена широко доступной беспроводной системы записи и стимуляции для электрофизиологических и поведенческих исследований в свободно перемещающихся животных. TWS протестирована в поведенческих анализов с использованием нижнего colliculus как модель структуры. TWS подход имеет несколько преимуществ по сравнению с существующими. Во-первых система использует портативный TWS головы одноступенчатые с предусилитель и аккумуляторная батарея, позволяя стабильные долгосрочные записей до 1 ч с ту же батарею и расстояние беспроводной операций для до 5 м. Во-вторых, главный этап TWS свет и компактный, весом 12 g, включая батарею и был разработан для предотвращения крысы от удаления головы стадии и жевать провода. Он был хорошо переносится животными с никакого воздействия на поведенческие репертуар animal´s с и без TWS было отмечено главный этап, делая систему применимых к широкий набор поведенческих задач. В-третьих система передает в режиме реального времени. В-четвертых путем записи одновременных двунаправленных и стимуляции нервной деятельности, система обеспечивает сложный инструмент для оценки причинно-следственных связей между конкретными мозга активации модели и поведения, таким образом, преодоление недостатков однонаправленный систем. Эта особенность делает метод особенно ценными для поля глубокая стимуляция мозга, которая обычно требует точной оценки, мониторинга и корректировки параметров стимуляции во время долгосрочного поведенческих экспериментов. Наконец блок хронически имплантируемых микроэлектродные был разработан с интегрированной записи, стимуляции и электрод сравнения, которая может быть легко имплантированы во время обычных стереотаксической хирургии. С этой точки зрения TWS является комплексной Беспроводная система, которая увеличивает воспроизводимость экспериментов стимуляции и записи. Качество записи TWS было показано, быть похожими на качество записи, принесли с коммерчески доступных проводной запись системы (см. Рисунок 5).

Широко известно, что электрическая стимуляция уступает colliculus крыс вызывает ясно побега поведение характеризуется бег или прыжки, который имитирует реакции страха вызвало экологических проблем11,12, 13. Это поведение было вызвано в настоящем исследовании уступает colliculus, используя TWS или традиционной привязной системы стимулирования. Для того чтобы проверить эффективность стимуляции TWS, пороги побег – минимальная интенсивность тока производства бег или прыжки-сравнивали с использованием обеих систем. Крысы с головы стадии TWS способны быстро, прыжки и восхождение из открытом поле, т.е. дисплей типичные побега поведение, с большей свободы передвижения. Важно отметить, что побег пороги были похожи по сравнению с традиционной системой привязи. Вместе довольно сложной парадигме был использован для тестирования устойчивости TWS, который он освоил в беспроблемный путь.

TWS также подходит для хронических электрической стимуляции экспериментов с блоком микроэлектродные имплантированных позволяет хроническое использование. TWS позволяет корректировки текущих параметров стимуляции очень точно в способ точно определить частоту и количество текущих стимуляции, который является эффективным выяснить поведенческие реакции. Кроме того то же самое животное была простимулирована с же порог тока через 3 дня и вызвали тот же ответ желаемого поведения. Это свидетельствует о том, что ткани вокруг кончика электрод стимуляции не пострадал от текущего стимуляции, что обычно требует повышенной стимуляции текущего амплитуд с повторных стимуляцию для того, чтобы добиться такой же поведенческие реакции.

Кроме того это позволяет значительно сократить время экспериментальных, потому что микро стимулятор TWS обновления параметров стимуляции в режиме реального времени, когда экспериментатор изменения их в графическом интерфейсе пользователя. Другие электрические стимуляторы19 применяется для доклинических исследований необходимо перепрограммировать для обновления параметров стимула. В тех случаях прибор запрограммирован, привязывая животных через кабель для программирования блока. Это не требуется при использовании TWS.

Наконец аккумулятор крепится к верхней части головы стадии TWS и электрически подключен к стадии голову через разъем магнит двух булавки для легкого обмена батареи. Преимущество заключается в том, что в ходе эксперимента можно изменить батарею без отключения TWS главный этап от блока имплантированных электродов, который является гораздо более удобной для животного. В настоящем исследовании мы использовали батарея, время которого операция является только 1 час. В случае, если эксперимент занимает более 1 h, рекомендуется иметь дополнительные заряженную аккумуляторную батарею. TWS может подключаться к замене аккумуляторов с мощностью (i) 230 мА на 1 ч время работы или (ii) 450 мА для примерно 2,5 ч время работы. Оба типа аккумуляторов можно полностью зарядить в 15 мин.

Таким образом настоящее исследование описывает операцию TWS предназначен для нейронной стимуляции и запись с свободно себя мелких животных. Также представлен полностью интегрированный набор имплантируемых микроэлектродные подразделение, главный этап, приемник и программное обеспечение. Качество записи беспроводной и стимуляции похож на что из привязанный записи системы с преимуществом является более комфортной, легкой и безопасной для животного. Таким образом TWS может использоваться для замены привязной системы, поскольку она не ограничивает мобильность животного и предоставляет гибкий способ для контроля стимуляции и нейронных записи при обстоятельствах где другие подходы, будет трудно или невозможно. Таким образом TWS может быть важным инструментом для изучения как электрической активности в определенных нейронных цепей создает определенные формы поведения, фундаментальный вопрос в неврологии.

Disclosures

Соавторы Uwe Томас и Саша Томас являются владельцами «Томас записи GmbH», которая занимается разработкой продуктов используемых в этом исследовании и связанных с этой темой общих исследований, описанных в данном документе. Кроме того соавтор Дирк Hoehl получает доход от «Томас записи GmbH». Они финансово могут воспользоваться это обстоятельство, если компания является успешным в маркетинге своей продукции, которые связаны с этого исследования. «Томас записи» оборудование, используемое в настоящем исследовании была посвящена Департамента поведенческой нейробиологии, экспериментальные и Биологическая психология - Universität Marburg Philipps без каких-либо обвинений.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана исследовательский грант от немецкой Федерации ассоциаций промышленных исследований (AiF; номер гранта: KF2780403JL3).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Thomas Wireless System (TWS) version 2.0 Thomas RECORDING GmbH AN001165 The Thomas Wireless System (TWS) version 2.0 is a portable multichannel telemetry system with laptop computer, a preinstalled Microsoft Windows operating system and TWS control software. The TWS includes: low noise 4 channel pre– and programmable main amplifier with fixed bandwidth, single channel constant–current stimulator for application of biphasic current pulses, software programmable micro stimulator, implantable connector system and a basic head stage unit for mounting to an animal. The system is delivered with a transceiver with USB port connection for laptops or desktop personal computers, the control software running under Microsoft operating system Windows. The TWS system can be used for extracellular neural stimulation and recording in freely behaving small animals (e.g. rats, guinea pigs). This system can be adapted to be used in larger animals (e.g. primates) as well.
Software for Thomas Wireless System (TWS) Thomas RECORDING GmbH inlcuded in AN001165 The software for the Thomas wireless system is running under Microsoft Windows operating system and provides the graphical user interface (GUI) for the Thomas Wireless System (TWS). The TWS GUI offers complete control of the TWS functions 4 channel recording and 1 channel stimulation.
Implantable tetrode for recording (4 channels) and stimulation (single channel) Thomas RECORDING GmbH AN001132 Implantable tetrode for recording (4 channels) and stimulation (single channel) for use with Thomas Wireless Systems (TWS).
Recording tetrode specifications: tetrode fiber material: quartz glass insulated platinum tungsten fiber, tetrode fiber outer diameter: 100µm, tip shape D, impedance 0.5-0.8MOHm; Reference electrode: tip shape: D; Impedance: 300-500kOhm; Material: quartzglass insulated platinum/tungsten; Stimulation electrode specification: fiber material: platinum/iridium, diameter: 125µm, lacquer insulated, tip shape : D, impedance: < 10kOhm, dimensions of the electrode can be specified by the end user
Implantable microelectrode for recording (single channel) and stimulation (single channel) Thomas RECORDING GmbH AN001118 Implantable microelectrode for recording (single channel) and stimulation (single channel) for use with Thomas Wireless Systems (TWS).
Recording electrode specifications: electrode fiber material: quartz glass insulated platinum tungsten fiber, electrode fiber outer diameter: 80µm/250µm (please specify), tip shape D, impedance 0.5-0.8MOHm; Reference electrode: tip shape: D; Impedance. 300-500kOhm; Material: quartzglass insulated platinum/tungsten; Stimulation electrode specification: fiber material: platinum/iridium, diameter: 125µm, lacquer insulated, tip shape : D, impedance: < 10kOhm
Holder for electrode implantation Thomas RECORDING GmbH AN000838 Special bent metal rod for microelectrode implantation for standard electrode holders. The rod is used to hold an implantable electrode. The implantable electrode is fixed to the rod with special Thomas RECORDING water soluable glue (AN001080). (Electrode holder is not included)
Replacement accumulator power supply for the Thomas Wireless System (3,7V/230mAh) Thomas RECORDING GmbH AN001208 Replacement rechargeable battery (accumulator) for Thomas Wireless System with a capacity of 230mA for approximately 1h operation time. (size: 27mm x 20mm x 6mm, weight app. 6g)
Replacement accumulator power supply for the Thomas Wireless System (3,7V/450mAh) Thomas RECORDING GmbH AN001209 Replacement rechargeable battery (accumulator) for Thomas Wireless System with a capacity of 450mA for more than 1h operation time. (size: 48mm x 30mm x 4mm, weight app. 11g)
Accumulator charger for Thomas Wireless System (TWS) rechargable accumulator Thomas RECORDING GmbH AN001207 Mains powered charger for the Thomas Wirless System (TWS) rechargable accumulators (AN001209 and AN001209)
Water soluble glue Thomas RECORDING GmbH AN001080 Thomas RECORDING water soluble electrode glue is a specially selected product for use with implantable microelectrodes in neuroscientific research. Its unique properties ensure a rigid connection between electrode and mounting device although it is easily removable with warm water. The Thomas RECORDING water soluble electrode glue can be used out-of-the-box, without any time consuming preparation. Thomas RECORDING water soluble electrode glue is not harmful to humans, animals or the environment. Quantity: 1 box of 10 gramms
Miniature differential preamplifier Thomas RECORDING GmbH AN000329 The Miniature Differential Pre-Amplifier, Model MDPA-2 is a 2-channel, differential input preamplifier that is designed for low noise recordings from excitable tissue. It is intended for extracellular recording in conjunction with the implantation of implantable microelectrodes for freely moving animal appliactions with the Thomas Wireless System (TWS). The 2-Channel Miniature Differential Preamplifier (MDPA-2) is connected to the implantable microelectrodes for providing the initial tenfold amplification stage. Ideally Thomas RECORDING quartz glass insulated platinum/tungsten electrodes are used to yield optimal recording results with high signal amplitudes and low noise levels. The MDPA-2 has additional common ground and reference electrode inputs.
Connection cable Thomas RECORDING GmbH AN000330 Connection cable to connect the Thomas Miniature differential preamplifier (MDPA-2) to a main amplifier and an accumulator power supply.
Rechargeable power supply for the miniature preamplifier Thomas RECORDING GmbH AN000328 Rechargeable accumulator power supply for the Miniature differential preamplifier (MDPA-2).
Accumulator charger (US) Thomas RECORDING GmbH AN000167 Accumulator charger for the power supply AN000328 (US mains power outlet conenctor)
Accumulator charger (EU) Thomas RECORDING GmbH AN000168 Accumulator charger for the power supply AN000328 (EU mains power outlet connector)
Differential preamplifier/main amplifier/bandpass filter Thomas RECORDING GmbH AN000677 TREC AC Main Amplifier (LabAmp-03) is a single-channel, differential main amplifier for neurophysiological applications (e.g. extracellular recording with microelectrodes). This Instrument is designed to work with the miniature Differential Pre-Amplifier, Model MDPA-2. The single channel of the LabAmp-03 contains a high-gain, low-noise differential amplifier stage followed by low frequency and high-frequency filters. The amplifier has two different filter amplifiers, a single unit activity (SUA) filter –amplifier and a local field potential (LFP) filter amplifier, both are connected parallel in the signal path. Record Mode offers two levels of signal gain (x10, x100) in a first stage and 4 additional levels (x5, x10, x25 and x50) in a final amplifier stage. Each amplifier has different bandpass characteristics for single unit activity (SUA) 500Hz…20kHz and local field potentials (LFP) 0,1Hz…140Hz. An audio monitor and a window discriminator is integrated in the device. The LabAmp-03 has an integrated audio monitor with loudspeaker. This unit provides audio reproduction of electrophysiological signals. The unit combines an audio amplifier in a compact, rugged package. This is especially suited to monitoring neural firing and muscle contractions. The audio monitor input is internally connected to the SUA-Filter amplifier output. The LabAmp-03 is delivered with external power supply for a mains power operation voltage range of 100-240V AC/50-60Hz.
USB Oscilloscope Thomas RECORDING GmbH AN001096 USB PC Oszilloskop, 2 Kanal. This 2-channel PC oscilloscope is perfect suitable for mobile use on a laptop and permanent installation in control cabinets, industrial equipment and many other applications where a small, lightweight and powerful oscilloscope is required. This oscilloscope is connected to the signal output of the main amplifier is for display of recorded extracellular activity during the implanation of the implantable microelectrodes for the Thomas Wireless System (TWS). The user can acquire the measurement data over the several data-interfaces directly on the PC with includes PC software.
Stimulus generator Multichannel Systems STG3008-FA Stimulus Generator for Current (STG) and Voltage Driven Stimulation fulfill three functions: current driven stimulation, voltage driven stimulation, controlling and timing. The STG is available with 2, 4 or 8 independet output channels. Featuring integrated isolation units for each output channel, the STG is able to provide any arbitrary waveform.
Cap protector for the electrode Thomas RECORDING GmbH AN001193 Protective cap for implantable electrode unit for the Thomas Wireless System
Surgical equipment Scissors, blunt-end forceps, spatulas, surgical clippers, dental drill, and cotton buds
Drugs and chemicals Isoflurane, xylocaine, tramadol hydrochloride (Tramadol-CT, AbZ-Pharma GmbH, Ulm, Germany), dexpantenol eye salve (Bepanthen, Bayer AG, Leverkusen, Germany), 3% hydrogen peroxide, povidone-Iodine (Betaisodona, Mundipharma GmbH, Limburg, Germany) and 70% ethanol;
Fixation material including Stainless steel screws (BN650 M1.2x5; 4.7 mm ), acrylic resin (Paladur, Heraeus Holding GmbH, Hanau, Germany), ultraviolet glue (Cyberbond U3300, Cyberbond Europe GmbH, Germany) and cap protector (Thomas Recording GmbH, Giessen, Germany);
Additional material Gloves, heating pad, syringes, and physiological saline.
Small Animal Stereotaxic Instrument (SASI) Thomas RECORDING GmbH AN000287 The model should be chosen according to the animal (rat, guinea pig, monkeys, etc) used in the study
Video camera EverFocus EverFocus, model: EQ150
Open field Made of transparent or gray acrylic, having round shape measuring 40x40x40cm
Elevated plus maze Made of gray acrylic and consisted of two open arms (50 cm long x 10 cm wide) and two closed arms (50 cm long x 10 cm wide, with 40 cm high walls) that extended from a central platform elevated 50 cm above the floor.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rao, R. P., Mielke, F., Bobrov, E., Brecht, M. Vocalization-whisking coordination and multisensory integration of social signals in rat auditory cortex. Elife. 3, e03185 (2014).
  2. Tseng, W. T., Yen, C. T., Tsai, M. L. A bundled microwire array for long-term chronic single-unit recording in deep brain regions of behaving rats. J. Neurosci. Methods. 201, (2), 368-376 (2011).
  3. Ball, D., et al. Rodent scope: a user-configurable digital wireless telemetry system for freely behaving animals. PLoS One. 9, (2), e89949 (2014).
  4. Chien, C. N., Jaw, F. S. Miniature telemetry system for the recording of action and field potentials. J. Neurosci. Methods. 147, (1), 68-73 (2005).
  5. Hawley, E. S., Hargreaves, E. L., Kubie, J. L., Rivard, B., Muller, R. U. Telemetry system for reliable recording of action potentials from freely moving rats. Hippocampus. 12, (4), 505-513 (2002).
  6. Alam, M., Chen, X., Fernandez, E. A low-cost multichannel wireless neural stimulation system for freely roaming animals. J. Neural. Eng. 10, (6), 066010 (2013).
  7. Xu, S., Talwar, S. K., Hawley, E. S., Li, L., Chapin, J. K. A multi-channel telemetry system for brain microstimulation in freely roaming animals. J. Neurosci Methods. 133, (1-2), 57-63 (2004).
  8. Angotzi, G. N., Boi, F., Zordan, S., Bonfanti, A., Vato, A. A programmable closed-loop recording and stimulating wireless system for behaving small laboratory animals. Sci. Rep. 4, 5963 (2014).
  9. Ativanichayaphong, T., He, J. W., Hagains, C. E., Peng, Y. B., Chiao, J. C. A combined wireless neural stimulating and recording system for study of pain processing. J. Neurosci. Methods. 170, (1), 25-34 (2007).
  10. Ye, X., et al. A portable telemetry system for brain stimulation and neuronal activity recording in freely behaving small animals. J. Neurosci. Methods. 174, (2), 186-193 (2008).
  11. Brandão, M. L., Tomaz, C., Leão-Borges, P. C., Coimbra, N. C., Bagri, A. Defense reaction induced by microinjections of bicuculline into the inferior colliculus. Physiol Behav. 44, 361-365 (1988).
  12. Brandão, M. L., Melo, L. L., Cardoso, S. H. Mechanisms of defense in the inferior colliculus. Behav Brain Res. 58, 49-55 (1993).
  13. Melo, L. L., Cardoso, S. H., Brandão, M. L. Antiaversive action of benzodiazepines on escape behavior induced by electrical stimulation of the inferior colliculus. Physiol Behav. 51, 557-562 (1992).
  14. Paxinos, G., Watson, P. The rat brain in stereotaxic coordinates. 3rd ed, Academic Press. San Diego, CA. (2007).
  15. Walf, A. A., Frye, C. A. The use of the elevated plus maze as an assay of anxiety-related behavior in rodents. Nat. Protoc. 2, (2), 322-328 (2007).
  16. Pellow, S., Chopin, P., File, S. E., Briley, M. Validation of open:closed arm entries in an elevated plus-maze as a measure of anxiety in the rat. J Neurosci Methods. 14, 149-167 (1985).
  17. Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. J. Vis. Exp. (65), e3564 (2012).
  18. Merrill, D. R., Bikson, M., Jefferys, J. G. Electrical stimulation of excitable tissue: design of efficacious and safe protocols. J Neurosci Methods. 141, 171-198 (2005).
  19. Ewing, S. G., Porr, B., Riddell, J., Winter, C., Grace, A. A. SaBer DBS: A fully programmable, rechargeable, bilateral, charge-balanced preclinical microstimulator for long-term neural stimulation. J Neurosci Methods. 213, 228-235 (2013).
Беспроводной, двунаправленный интерфейс для записи <em>в естественных условиях</em> и стимуляции нейронной активности в свободно себя крысы
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Melo-Thomas, L., Engelhardt, K. A., Thomas, U., Hoehl, D., Thomas, S., Wöhr, M., Werner, B., Bremmer, F., Schwarting, R. K. W. A Wireless, Bidirectional Interface for In Vivo Recording and Stimulation of Neural Activity in Freely Behaving Rats. J. Vis. Exp. (129), e56299, doi:10.3791/56299 (2017).More

Melo-Thomas, L., Engelhardt, K. A., Thomas, U., Hoehl, D., Thomas, S., Wöhr, M., Werner, B., Bremmer, F., Schwarting, R. K. W. A Wireless, Bidirectional Interface for In Vivo Recording and Stimulation of Neural Activity in Freely Behaving Rats. J. Vis. Exp. (129), e56299, doi:10.3791/56299 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video
Waiting X
simple hit counter